Определение теплоты сгорания торфа

 

     Удельная теплота сгорания Q– это количество тепла, выделившегося при полном сгорании единицы массы топлива, кДж/кг. Теплоплотность Q_r – теплота сгорания единицы объема топлива, кДж/м³. Теплоплотность характеризует тепловую ценность сравниваемых топлив. Между Q и Q_r существует связь Q_r = Q×r_нас., где r_нас. – насыпная плотность топлива, кг/м³.

Определение теплоты сгорания торфа можно производить или непосредственно путем сжигания навесок торфа в калориметрической установке, или косвенным путем по данным элементного состава. Экспериментальное определение теплоты сгорания состоит в сжигании навески торфа (1-1,5 г) и измерении при этом всего выделившегося тепла.

 

Калориметрический метод

   Теплоту сгорания определяют в калориметрической установке (рис. 1), которая состоит из калориметра 2, калориметрической бомбы 1, теплоизолирующего кожуха 3, крышки к нему 4, механической мешалки с электроприводом 5, термометра Бекмана 6 и отсчетного устройства 7. Калориметр заполнен водой, температуру которой при непрерывном перемешивании определяют с точностью до 0,1 ^оС. Обычно калориметр тарируется, т.е. определяется то количество теплоты, которое необходимо подвести, чтобы всю систему калориметра (оболочка, бомба, вода, термометр и мешалка) нагреть до 1 ^оС. Это так называемое водное число определяется по теплоте сгорания эталона (бензольная кислота).

Рис. 1. Схема калориметрической установки: 1 – калориметрическая бомба;

2 – калориметрический сосуд; 3 – теплоизоляционный кожух; 4 – крышка;

5 – мешалка с электроприводом; 6 – термометр; 7 – отсчетное устройство

 

Учитывая, что в работе определяется теплота сгорания торфа калориметрическим методом, образец для анализа готовится следующим образом. Торф измельчают до крупности <0,25 мм, берут навеску массой 1-1,5 г и вместе с медной запальной проволокой, толщиной не более 0,2 мм, прессуют в брикетик.

Бомба (рис. 2) представляет собой толстостенный стальной сосуд, в который помещается навеска сжигаемого топлива 6 и закачивается кислород под давлением 2-2,5 МПа. Бомбу устанавливают в калориметр, электроды подсоединяют к источнику электрического тока и включают мешалку. Сжигание производят путем замыкания электрической цепи, в которую включена запальная проволочка. Тепло, выделяющееся при сгорании торфа улавливается водяным калориметром, в который погружается бомба.

  

 

Рис. 2. Калориметрическая бомба: 1 – бомба-цилиндр; 2 – крышка; 3 – чашечка; 4– держатель чашечки; 5 – впускная трубка; 6 – брикетик торфа

 

За изменением температуры следят по термометру Бекмана, поправку на теплообмен ΔТ определяют графически (рис. 3). Для этого строят график изменения температуры во времени по данным опыта. По этому методу в кривой хода температур выделяют три периода: 1) начальный АВ - от начала наблюдения до момента зажигания пробы, этот участок учитывает теплообмен калориметра с окружающей средой; температура здесь обычно повышается незначительно; 2) главный ВС, продолжающийся от момента включения электрического тока и поджигания пробы до полного сгорания топлива и передачи всего тепла нагреваемой воде; 3) конечный СД, на котором идет теплообмен калориметра с окружающей средой с понижением температуры.

Рис. 3. График изменения температуры во времени

   

Далее определяют разность между максимальной температурой после сжигания и температурой в начале опыта с учетом внешнего теплообмена. Для этого продолжают участки АВ и СД до пересечения с осью ординат. Отрезок EF делят пополам и через точку L проводят прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с прямой ВС главного периода. Через точку К проводят вертикальную прямую до пересечения с продолжением прямых СД и АВ. Отрезок MN представляет собой разность температур DT. Теплота сгорания, отнесенная к массе аналитической навески, рассчитывается по уравнению

Q_б^а =(B D T -Q_зm_пр)/m_а,                                               (1)

где В – водное число калориметра; Q_з – теплота сгорания запальной проволоки; m_пр – масса сгоревшей части проволоки, m _а – масса аналитической навески торфа.

  Величину В, если она неизвестна, можно ориентировочно определить по уравнению В = m_{в •} C_в, где m_в – масса воды в калориметре; C_в – удельная теплоемкость воды. Величина В установки равна 8925 Дж/град).

   Определенную из уравнения (1) величину называют теплотой сгорания по бомбе. Ее можно рассчитать на сухое вещество или горючую навеску по формулам

Q_б^с = Q_б^а · 100/(100- w ^а);     Q_б ^г = Q_б^а · 100/(100- w ^а - A ^а),

где w^а – влага аналитической пробы, %; A^а – зольность аналитической пробы (пробы с некоторым содержанием воды), %.

  Количество тепла, образующееся в бомбе при сгорании навески, всегда больше по сравнению с тем, что выделяется в топке. Это связано с тем, что в бомбе имеют место дополнительные выделения тепла за счет кислотообразования и конденсации паров воды.

  Высшая теплота сгорания - теплота сгорания топлива в бомбе без теплоты кислотообразования. При сгорании серы, входящей в топливо, образуется газ SO₂, который в бомбе окисляется до SO₃.Серный ангидрид, растворяясь в воде, образует серную кислоту с выделением тепла:  

SO₂ + 0,5 О₂ + Н₂О = Н₂ SO₄ + 300 кДж/моль.

В расчете на 1 кг серы тепловыделение составит 300·10³/32=9400 кДж, или на 1% содержания серы в аналитической навеске тепловыделение равно 94 S^а кДж (здесь S^а в %). В бомбе происходит частичное окисление азота с образованием азотной кислоты. При этом принято допущение, что чем выше температура сгорания топлива, тем больше образуется НNO_3. Поэтому дополнительное тепловыделение считают пропорциональным Q_б. Коэффициент пропорциональности равен 0,001 для каменных углей и антрацита; 0,0015 для бурых углей, сланцев и торфа. Для сланцев с теплотой сгорания по бомбе ниже 5500 кДж/кг необходимо учесть тепловыделение от разложения карбонатов. На каждый процент оставшейся в зольном остатке двуокиси углерода от неразложившихся карбонатов [CO₂^а]_к (зола топлива в бомбе) дополнительный эффект тепловыделения составляет 40 кДж. Таким образом, высшая теплота сгорания торфа

Q_в^а=Q_б^а-94S^а-0,0015 Q_б^а.                                   (2)

Для сланцев с теплотой сгорания >5500 кДж/кг

Q_в^а= Q_б^а-94S^а- 0,0015 Q_б^а- 40.

В расчете на рабочее топливо высшая теплота

Q_в^р =Q _в^а(100- w ^р) / (100- w ^а),                                         (3)

где w^р – влага рабочего топлива. Величины Q_в^с и Q_в ^г   находятся по формулам

Q_в^с = Q_в^а 100/(100- w ^а); Q_в^г= Q_в^а 100/(100- w ^а - А^а).

Низшая теплота сгорания – теплота сгорания, которая реализуется в топке, она меньше высшей теплоты на величину тепловыделения при конденсации паров воды (Q_но). Общее количество паров воды, образующееся при сгорании 1 кг топлива, равно количеству воды, находящейся в топливе w/100, и того количества воды, которое образуется от сжигания водорода топлива. Последнее будет равно 9Н/100, так как из 1 кг водорода образуется 9 кг воды. Удельную теплоту конденсации водяного пара принимают равной 2500 кДж/кг или в расчете на 1% образовавшейся воды – 25 кДж. Отсюда низшая теплота сгорания находится по формуле

Q_н^а=Q_в^а-25(9Н^а+ w ^а),                                        (4)

где Н^а – содержание водорода в аналитической навеске. Она рассчитывается по известному содержанию водорода в горючей навеске Н ^г по формуле

Н^а=Н^г(100- w ^а -А^а)/100.

  Содержание Н ^г в торфе принимается равным 6%. Низшие теплоты сгорания рабочего топлива, сухой навески и горючего вещества рассчитываются по формулам

Q_н^р=Q_в^р-25(w ^р +9Н^р)

Q_н^с= Q_в^с-225Н^с

Q_н^г= Q_в^г-225Н^г.

Определение теплоты сгорания по элементному составу топлива

Кроме прямого определения теплоты сгорания существуют косвенные методы, основанные на определении теплоты по элементному составу: по уравнениям регрессии между характеристиками топлива и теплотой сгорания.

Из многочисленных уравнений, позволяющих определить теплоту сгорания по элементному составу, наибольшее применение получила формула Д.И. Менделеева. Для высшей теплоты сгорания она имеет вид

Q_в=339С+1258Н-109(О-S).                                 (5)

  Формула (5) может быть отнесена к любой из расчетных масс топлива (рабочая, сухая или горючая). Содержание элементов – в процентах. Коэффициенты, входящие в формулу (5), были получены Д.И. Менделеевым путем обработки данных, относящихся к различным органическим веществам: углероду, клетчатке, углям, нефтепродуктам. Расчет по формуле Д. И. Менделеева только за счет ошибки в определении элементного состава (допускается для водорода расхождение до 0,3 % и углерода – 1%) составляет от 2 до 8 %.

  В целом для типов торфа средние значения теплоты сгорания (МДж/кг) следующие: низинный и переходный – 23,3, верховой – 22,5. Следует отметить, что значения Q_б^г< 20,9 МДж/кг свойственны верховым видам торфа. Увеличение степени разложения для верховых и переходных торфов сопровождается ростом Q_б^г, для низинных это не характерно. Торф, содержащий большое количество битумов, гуминовых кислот и негидролизуемого остатка, имеет высокую теплоту сгорания. При высоком содержании целлюлозы и легкогидроли-зуемых Q_б^г невысока.

  Для удобства расчетов топливно-энергетических балансов, представленных различными топливами, используют понятия об условном топливе. Условным топливом называется универсальный энергозаменитель с низшей рабочей теплотой сгорания 29330 кДж/кг. Реально такой теплоте сгорания близко соответствует каменный уголь и антрацит. Для пересчета натурального топлива в условное вводят понятие теплового эквивалента Э_т, представляющего собой отношение низшей рабочей теплоты сгорания данного топлива к теплоте сгорания условного:

Э_т= Q_н^р/29330.                                                     (6)

Перевод массы натурального топлива в условное осуществляется по формуле

m_усл.= m_нат · Э_т.

 

 

Таблица 1. Теплоценность твердых топлив

 

Вид топлива	Теплота сгорания, кДж/кг	Топливный  эквивалент
Древесина	12400	0,42
Торф фрезерный	11440	0,39
Торф кусковой	12610	0,43
Торфяные брикеты	17010	0,58
Бурый уголь	13000	0,44
Каменный уголь	27000	0,92
Антрацит	28000	0,96
Сланец	9600	0,33

 

 

Последовательность выполнения работы

 

1. Знакомятся с устройством калориметрической установки.

2. Записывают характеристику торфа. Торф, измельченный и просеянный через сито с размером отверстий 0,25 мм является экспериментальной пробой.

3. Кусок запальной проволоки длиной около 8 см вместе с навеской торфа (1-1,5 г) помещают во вкладыш матрицы ручного пресса и брикетируют.

4. Брикетик закрепляют в бомбе и собирают установку.

5. По термометру Бекмана следят за изменением температуры, снимая отсчеты в начальном и конечном периодах через 1 минуту, а в главном – через 30 секунд, записывая в табл.2.

6. Строят график изменения температуры во времени t=ƒ(t).Из него определяют разность температур DT, в которой учтен теплообмен системы с окружающей средой в условиях начального и конечного периодов опыта.

7. Рассчитывают Q_б^а, Q_в^а, Q_в^р, Q_н^р, Э_т, соответственно, по формулам (1), (2), (3), (4), (6).

 

Оформление работы

 

Характеристика торфа:

 

Тип –

Степень разложения R =     %;

Аналитическая влажность w^а=    %;

Зольность на сухое вещество А^с=    %;

Рабочая влажность w^р=   %;

Содержание водорода Н^р=   %;

Содержание серы S=    %;

Масса проволоки m =         г;

Масса брикетика с проволокой m =                     г;

Масса остатка проволоки m =         г;

Масса сосуда с водой m = 2690 г;

Теплота сгорания медной проволоки q = 2514 Дж/г).  

 

Таблица 2. Результаты определения теплоты сгорания торфа Q

 

№ опыта	Отсчет температуры производят:
	начальный период  через 1 мин.	главный период через 30 сек.	конечный период через 1 мин.
1
2
3
4
5
6
7

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое удельная теплота сгорания топлива? Единицы ее измерения.

2. Калориметрический метод определения теплоты сгорания.

3. Высшая и низшая теплота сгорания топлива.

4. Что влияет на величину Q_н^р?

5. Какие процессы сопровождают сгорание торфа в калориметрической установке?

6. Условное топливо. Тепловой эквивалент.

7. Зависимость теплоты сгорания от элементного состава. Формула Д.И. Менделеева.

 

 

Лабораторная работа № 7